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Die
vorliegende Erfindung betrifft Polyesterharze der Art, die zur Herstellung
von faserverstärkten
Verbundbauteilen, vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, vom
laminierten Typ, wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GRP) oder
mit Polymerfasern verstärkten
Harzverbunden, verwendet wird. Die Verwendung von Polyesterharzen
für kohlefaserverstärkte Harzbauteile
ist zwar nicht üblich,
aber theoretisch ebenfalls möglich.
Diese Polyesterharze basieren herkömmlicherweise auf einem ungesättigten
Polyesterharz und einem copolymerisierbaren Monomer, wie Styrol.
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Von
derartigen Verbunden wird im Gebäudebau,
auf dem Auto/Transport-Sektor, für
chemikalienbeständige
Anwendungen und bei Sport- und Freizeitanwendungen, insbesondere
beim Bootsbau, ausgiebig Gebrauch gemacht. Beim Formgebungsverfahren
werden das Polyesterharz und die Verstärkungsfasern in die gewünschte Struktur
umgewandelt. In Europa werden als Formgebungsverfahren in einem
beträchtlichen
Teil des Verbundbauteilsektors offene Formen und Aufspritz- und
Handauflegetechniken verwendet. Da die geforderten Teile im allgemeinen
dreidimensional geformt sind, ist die Aufbringung von Harz auf vertikale
Formoberflächen
erforderlich. Die Polyesterharze sollten nicht zu viskos sein, damit
sich eine zufriedenstellende Spritz-/Walzenapplikation ergibt. Dagegen
würde eine
zu niedrige Viskosität
zu allzu starkem Ablaufen von vertikalen Oberflächen der Form bzw. des Teils
führen.
Eine zufriedenstellende Lösung
erreicht man, indem man die Rheologie der flüssigen Harze durch Einarbeitung
von thixotropen Strukturierungsmitteln modifiziert.
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In
Polyesterharzen wird als Thixotropiermittel hauptsächlich pyrogene
Kieselsäure
verwendet. Pyrogene Kieselsäure
bringt zwar die geforderten strukturbildenden Eigenschaften ein,
ist aber mit einer Reihe von Einschränkungen behaftet. Ein derartiger
Nachteil ist darauf zurückzuführen, daß das Material
ein Feinstaub ist und daher unangenehm und gefährlich zu handhaben ist. Ein
anderer Nachteil besteht darin, daß für eine zufriedenstellende Einarbeitung
hochscherende, kapitalintensive Dispergiereinrichtungen erforderlich
sind. Schließlich
neigt pyrogene Kieselsäure
dazu, sich bei der Lagerung im Harz abzusetzen, was einen Verlust
an Struktur und Thixotropierleistung zur Folge hat.
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Das
letztgenannte Problem (Absetzung oder Abscheidung) wirkt sich besonders
ungünstig
auf die Leistung aus und wird durch die Verwendung der beim Aufspritzen/Auflegen
nunmehr populären
niederviskosen Harze noch verstärkt.
Dieser Absetzeffekt ist häufig
der entscheidende Faktor für
die Festlegung der Haltbarkeit.
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Zu
den korrigierenden Maßnahmen
vor Verwendung des Harzes gehören
die Redispergierung, die bei Bulk-Lagerung oder in 1-Kubikmeter-Containern
möglicherweise
nicht praktikabel ist. Durch Verwendung von sedimentiertem Harz
können
fehlerhafte Teile und Ausschuß anfallen.
Man kann in Verbindung mit der Kieselsäure eine Reihe von Additiven
verwenden, die das Absetzen verlangsamen können, aber allesamt das Problem
nicht vollständig
beheben können.
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Folglich
hat man viele Jahre lang nach verbesserten thixotropen Lösungen gesucht.
Die Schwierigkeit dieser Aufgabe spiegelt sich darin wider, daß trotz
der unternommenen Anstrengungen pyrogene Kieselsäure nach wie vor das vorherrschende
Thixotropiermittel ist. Es sind zwar andere Produkte, die dem Absetzungsproblem
entgegenwirken, auf den Markt gekommen, die jedoch im Hinblick auf
andere Parameter nachteilig sind. Hierzu gehören Tone und organisch modifizierte
Tone, die für
ihre Einarbeitung eine "Vorgelat"-Stufe erfordern.
Mit diesen alternativen Substanzen kann sich jedoch eine Beeinträchtigung
von Farbe, Lufteinschluß, Gelzeitstabilität und mechanischen
Eigenschaften ergeben.
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Somit
besteht nach wie vor Bedarf an einem teilweisen oder vollständigen Ersatz
für pyrogene
Kieselsäure
zum Zweck der Thixotropierung von Harzen für die Herstellung von faserverstärkten Verbunden,
der nicht die Nachteile der letztgenannten Substanz aufweist, selbst
keine anderen, beträchtlichen
Nachteile einbringt und keinen beträchtlichen Kostennachteil mit
sich bringt. Dieser Bedarf wurde nun durch die Verwendung eines
organischen Amids als Mittel zur Erzeugung thixotroper Scherverdünnung erfüllt.
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Die
Einarbeitung von organischen Amiden in Beschichtungszusammensetzungen,
die ein ungesättigtes
Polyesterharz und ein copolymerisierbares ungesättigtes Monomer wie Styrol
enthalten, ist bereits bekannt. Insbesondere wird eine derartige
Beschichtungszusammensetzung für
Gelcoatzusammensetzungen verwendet. Gelcoats werden als Schutzschichten
verwendet, beispielsweise auf Schiffsrümpfe aus GRP. Gemäß einem
aktuellen Produktdatenblatt von Kusumoto Chemicals Ltd kann man
ein derartiges Amid in einer in einem nicht polymerisierbaren organischen
Lösungsmittel
(Xylol) vordispergierten Form so in Gelcoatzusammensetzungen einarbeiten,
daß die
vorhandene Gesamtmenge an Xylol 2 bis 3 Gew.-% der Zusammensetzung
beträgt.
Ein derartiges Lösungsmittelniveau
in einer Zusammensetzung zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen
würde jedoch
zu einem Produkt sehr schlechter Qualität führen. Außerdem gibt das Datenblatt
dem Fachmann keinerlei Veranlassung dazu, derartige Amide in Harzen
zur Herstellung von faserverstärkten
Verbundbauteilen zu verwenden.
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In
einem anderen Datenblatt von Kusumoto Chemical Ltd wird vorgeschlagen,
ein in Styrolmonomer dispergiertes Polyamid in Formmassen (d. h.
Harzzusammensetzungen mit geschnittenen Glasfasern zur Herstellung
von Preßformlingen)
sowie Gelcoats und anderen Beschichtungen zu verwenden. Die vorgeschlagene
Amidmenge entspricht einem Niveau von 0,05 bis 0,3 Gew.-% in der
Formmasse. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
sind insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, zur Verwendung in faserverstärkten Zusammensetzungen
vom laminierten Typ, im allgemeinen den durch Handauflegen oder
Aufspritzen hergestellten, vorgesehen. Man kann aus einer Reihe
von Gründen
nicht einfach von Formmassen auf Laminatbauanwendungen extrapolieren.
Die geschnittenen Fasern in der Formmasse führen zu einer anderen Rheologie, und
Formmassen enthalten sehr hohe Niveaus an Füllstoff, in der Regel Calciumcarbonat.
Für Laminate
ist die thixotrope Scherverdünnung
essentiell, wohingegen für
die Formgebung nur eine Verdickung erforderlich ist (zwecks einfacherer
Handhabung und zur Verhinderung der Trennung des Harzes vom Füllstoff
und geschnittenem Glas). Außerdem
macht die im obigen Datenblatt angegebene Höchstmenge (0,3%) es für Laminatanwendungen
vollkommen ungeeignet.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit eine Zusammensetzung
zum Formen von faserverstärkten
Verbundbauteilen bereitgestellt, die
- (a) ein
ungesättigtes
Polyesterharz,
- (b) ein copolymerisierbares Monomer und
- (c) 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung,
eines organischen Amids als Thixotropiermittel
und weniger
als 2 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung, eines nicht
polymerisierbaren organischen Lösungsmittels
enthält.
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Es
hat sich erwiesen, daß die
Leistungsfähigkeit
der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen über lange
Lagerzeiten stabil bleibt.
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Die
Menge des Thixotropiermittels beträgt in erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung, aber
vorzugsweise 0,5 bis 3 Gew.-%.
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Die
Menge an nicht polymerisierbarem organischem Lösungsmittel in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
beträgt
vorzugsweise höchstens
1,5 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 1 Gew.-% und noch weiter
bevorzugt höchstens
0,5 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung. Speziell bevorzugt
ist ein derartiges Lösungsmittel
weitgehend vollständig
abwesend.
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Das
Thixotropiermittel enthält
vorzugsweise ein oder mehrere Amidoligomere und/oder -polymere,
in die eine hydroxyfunktionelle Säure eingebaut ist. Sie weisen
vorzugsweise ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 250 bis 1500
und besonders bevorzugt von 290 bis 1000 auf. Ganz besonders bevorzugt
sind Hydroxystearinsäure
oder hydrierte Rizinusölfettsäure. Es
können
auch andere gesättigte
Säuren
eingearbeitet werden, wie Decansäure,
Dodecansäure
(Laurinsäure)
und Hexadecansäure
(Palmitinsäure).
Als Diamine sind Ethylen- und Hexamethylendiamin bevorzugt, wenngleich
auch andere aliphatische Diamine in Betracht kommen. Die Amine werden
durch Kondensation in einem Schmelzverfahren bis zu einer Säurezahl
und einer Aminzahl von weniger als 10 mg KOH/g hergestellt. Zur
Erleichterung der nachfolgenden Dispergierung werden die Amidfeststoffe
vorzugsweise so mikronisiert, daß mehr als 99 Gew.-% der Amidfeststoffteilchen
einen Durchmesser von weniger als 45 Mikron aufweisen.
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Es
ist auch bevorzugt, in erfindungsgemäße Zusammensetzungen ein oder
mehrere leistungsverbessernde Additive einzuarbeiten.
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Typische
leistungsverbessernde Additive sind die folgenden, und zwar in den
angegebenen Mengen (bezogen auf das Gewicht der gesamten Zusammensetzung):
- – Inhibitoren
zur Verleihung von Stabilität
und Haltbarkeit (50–500
ppm)
- – Beschleuniger
zur Förderung
der Härtung
bei Werkstatt/Form-Temperaturen, in der Regel Cobaltseifen und Aminverbindungen
(0,01–0,5%)
- – Pigmente
für Deckungseigenschaften
und kosmetische Eigenschaften (0,5–10%)
- – Füllstoffe
zur Verleihung von Steifigkeit oder Flammwidrigkeit (5–60%)
- – Halogen-
und Phosphorverbindungen, gleichermaßen zur Verleihung von Flammwidrigkeit
(2–15%)
und
- – filmbildende
Verbindungen zur Verringerung von Oberflächenklebrigkeit und Styrolemissionen
von der Laminatoberfläche
(0,05–2%).
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In
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
beträgt
die Menge an ungesättigtem
Polyesterharz (das gegebenenfalls zwei oder mehr derartige Harze
umfassen kann) in der Regel 20 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis
65 Gew.-% und besonders bevorzugt 30 bis 60 Gew.-%, bezogen auf
die gesamte Zusammensetzung.
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Das
ungesättigte
Polyesterharz wird zweckmäßigerweise
durch Polykondensation mehrbasiger Säuren und Anhydride mit mehrwertigen
Alkoholen hergestellt, wobei zweibasige Säuren/Anhydride und zweiwertige
Alkohole ganz besonders häufig
eingesetzt werden. Typische Säuren/Anhydride
sind u. a. Maleinsäureanhydrid,
Phthalsäureanhydrid,
Isophthalsäure,
Terephthalsäure
und Fumarsäure.
Typische Alkohole sind u. a. 1,2-Ethandiol, 1,3-Propandiol, Diethylenglykol
und Dipropylenglykol. Man kann auch monofunktionelle Säuren oder
Alkohole als Kettenabbruchmittel einsetzen. Die ethylenisch ungesättigten
Gruppen sind essentiell und dienen bei der Härtung als Vernetzungsstellen.
Das ungesättigte
Polyesterharz kann auch so formuliert werden, daß es Dicyclopentadien und/oder
Cyclopentadien enthält.
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Die
Harzpolykondensation wird im allgemeinen diskontinuierlich zwischen
150 und 220°C
entweder als Schmelzverfahren oder als azeotropes Verfahren durch geführt. Es
wird normalerweise ein Polymerisationsgrad erreicht, der einem Säurewert
zwischen 5 und 50 mg KOH/g und einem zahlenmittleren Molekulargewicht
zwischen 500 und 4000 entspricht. Das Harz wird in dem ungesättigten
Monomer verdünnt
und kann durch Zusatz eines Inhibitors, wie Hydrochinon, stabilisiert
werden.
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Das
ungesättigte
Polyesterharz wird in der Regel in einem Hochtemperaturpolykondensationsreaktor hergestellt,
bevor es in dem monomeren reaktiven Verdünnungsmittel verdünnt wird.
Die Zugabe des organischen Thixotropiermittels und der leistungsverbessernden
Additive erfolgt mit Hilfe einer Dispergierungsphase bei oder nahe
Raumtemperatur, oder gegebenenfalls kann man das Thixotropiermittel über eine
Vorgelatstufe zusetzen. Die gewonnenen Harze zeigen ausgeprägtes thixotropes
Scherverdünnungsverhalten,
das ideal für Aufspritz-/Auflegeanwendungen
geeignet ist.
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Das
copolymerisierbare Monomer liegt in der Regel in einer Menge von
20 bis 55 Gew.-%, vorzugsweise von 22 bis 50 Gew.-% und besonders
bevorzugt von 25 bis 45 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung,
vor.
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Das
copolymerisierbare Monomer dient sowohl zur Mobilisierung des ungesättigten
Polyesterharzes als auch als copolymerisierbarer Vernetzer in der
Härtungsphase.
Aus technisch-wirtschaftlichen Gründen verwendet man im allgemeinen
Styrol, jedoch können
auch andere Monomere eingearbeitet werden, wie z. B. α-Methylstyrol,
Vinyltoluol, Methylmethacrylat und Diallylphthalat.
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Wenngleich
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein als Thixotropiermittel
dienendes organisches Amid als Ersatz für pyrogene Kieselsäure verwendet
wird, erhält
man eine optimale Leistungsfähigkeit
hinsichtlich minimaler Absetzung im Verein mit gewünschtem
Scherverdünnungsverhalten
durch gleichzeitige Einarbeitung kleiner Mengen pyrogener Kieselsäure, beispielsweise
0,1 bis 2,5 Gew.-% und vorzugsweise 0,2 bis 1,2 Gew.-%, bezogen
auf die Zusammensetzung.
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Das
Thixotropiermittel kann auf einem von verschiedenen Wegen in die
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
eingearbeitet werden.
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Erstens
kann es in das ungesättigte
Polyesterharz selbst eingearbeitet werden. Dieses Verfahren umfaßt das chargenweise
Dispergieren oder in-line-Dispergieren des Thixotropiermittels in
dem Polyesterharz durch Vermischen damit, bevor das Harz mit irgendwelchen
anderen Bestandteilen vermischt wird. Dies hat den Vorteil, daß es mit
den herkömmlichen
Anlagen und der herkömmlichen
Verarbeitung von auf Kieselsäure basierenden
Polyesterharzen kompatibel ist.
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Bei
einem zweiten, alternativen Verfahren wird das Thixotropiermittel
in Form eines Vorgelats in das copolymerisierbare Monomer eingearbeitet.
Bei einem Vorgelat handelt es sich um eine hochviskose Lösung oder
Dispersion des Thixotropiermittels in einem anderen Medium. Bei
dem Verfahren stellt man in der Regel ein Vorgelat her und dispergiert
dann das Vorgelat diskontinuierlich in den anderen Bestandteilen.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht in der Verringerung der
Dispergierzeiten in der letzten Verarbeitungsstufe.
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Bei
einer dritten Möglichkeit
wird das Thixotropiermittel in Form eines hitzeaktivierten Vorgelats
in eine Mischung aus dem copolymerisierbaren Monomer und einem organischen
Lösungsmittel
eingearbeitet. Unter einem hitzeaktivierten Vorgelat versteht man
ein Vorgelat, das wärmebehandelt
worden ist. Bei diesem Einarbeitungsverfahren kann man beispielsweise
das Thixotropiermittel in einem geeigneten Medium dispergieren und
dann vor dem Dispergieren im Harz bei etwa 50°C wärmebehandeln. Dieses Einarbeitungsverfahren
hat den Vorteil, daß man
für ein
gegebenes Leistungsniveau niedrigere Thixotropiermittelniveaus verwenden kann.
Das organische Lösungsmittel
enthält
vorzugsweise eine oder mehrere -OH-Gruppen und ist im allgemeinen
ein niederer Alkohol, wie Ethanol oder Propanol, oder ein Polyol,
wie Ethylenglykol oder Propylenglykol, oder es kann sich beispielsweise
um technischen Alkohol oder Benzylalkohol handeln. Das Gewichtsverhältnis von
copolymerisierbarem Monomer zu Lösungsmittel
beträgt
vorzugsweise 5 : 1 bis 10 : 1 und besonders bevorzugt 6 : 1 bis
9 : 1.
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Die
sowohl das als Thixotropiermittel dienende organische Amid als auch
pyrogene Kieselsäure
enthaltenden Zusammensetzungen können
nach dem oben erwähnten
Verfahren hergestellt werden. Bei Anwendung des zweiten oder dritten
Verfahrens sollte die Kieselsäure
mit dem Vorgelat in dem Harz dispergiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zur
Herstellung eines faserverstärkten
Verbunds, wie z. B. eines glasfaserverstärkten Verbunds oder eines kohlefaserverstärkten Verbunds.
Hierbei bringt man Faserverstärkungsmaterial
zusammen mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
in eine gewünschte
Form und härtet
die Zusammensetzung.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
auch einen Gegenstand, zumindest teilweise bestehend aus einem faserverstärkten Verbund,
der ein Faserverstärkungsmaterial
und eine gehärtete
erfindungsgemäße Zusammensetzung
enthält.
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Die
Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
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BEISPIELE
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A. Ungesättigtes
Polyesterharz als Basis
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Maleinsäureanhydrid,
Phthalsäureanhydrid
und Propylenglykol wurden im Molverhältnis von 1,0 : 1,0 : 2,1 in
einem Schmelzverfahren zu einem Harz mit einer Säurezahl von 30 mg KOH/g und
einem zahlenmittleren Molekulargewicht Mn von 1400 kondensiert.
Das Harz wurde in einem Feststoffanteil von 65% (±2%) in Styrol
gelöst
und mit 100 ppm Hydrochinon stabilisiert.
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B. Organisches Thixotropiermittel
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Hydrierte
Rizinusölfettsäure (60
Teile) und Decansäure
(28 Teile) wurden auf 80°C
erhitzt. Dann wurde Ethylendiamin (11 Teile) zugegeben und die Temperatur
des Ansatzes unter Salzbildung auf etwa 120°C ansteigen gelassen. Danach
wurde der Ansatz auf 200°C
erhitzt und bis zu einer Säure-
und Aminzahl von weniger als 10 mg KOH/g kondensiert, ausgetragen,
fest werden gelassen und so mikronisiert, daß 99% weniger als 45 Mikron
maßen.
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C. Leistungsverbessernde
Additive
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Die
folgenden Additive wurden in einer Mischung aus 85 Teilen Harzbasis
A und 15 Teilen Styrol dispergiert:
pph | |
0,15 | Entlüftungsmittel
(von BYK Chemie A555) |
0,05 | Phenyldiethanolamin |
0,15 | Cobaltoctoat
10%ig |
0,01 | Hydrochinon |
0,75 | LSE-Filmbildneradditiv
in Trägermedium
(von BYK Chemie S740) |
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Beispiel 1
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In
einen 1500-L-Mischer mit in-line-Rotor/Stator-Dispergierer wurden 940 kg Harzbasis
A und 155 kg Styrol eingetragen.
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Nach
Eintragen von 13,4 kg des organischen Thixotropiermittels B in den
Mischer wurde der Ansatz durch den Dispergierer rezirkuliert, bis
eine Hegman-Feinheit von 6 erreicht war. Leistungsadditive C wurden in
dem gleichen Verhältnis
zur Harzbasis A dispergiert, was ein Harz mit den folgenden Eigenschaften
ergab:
Feststoffe | 58% |
Rotationsviskosität bei 25°C (ISO 3219) | 0,24
Pa·s
(2,4 p) |
Brookfield
RVT bei 25°C
(Spindel 2, 5/50 U/min) | 2,2/0,7
Pa·s
(22/7 p) |
Gelzeit
bei 25°C,
2% M50 MEKP (ISO 2535) | 16
Minuten |
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Beispiel 2
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In
einem Mischer mit diskontinuierlich arbeitendem Hochgeschwindigkeits-Dissolver
wurden 92,5 Teile Styrol vorgelegt. Bei 1500 U/min wurden 7,5 Teile
des organischen Thixotropiermittels B in den Dissolver eingetragen.
Das erhaltene Gel wurde auf 20°C
abkühlen
gelassen. 16,0 Teile dieses Vorgelats wurden bei Einstellung des
Dissolvers auf 1500 U/min zu 84 Teilen Harzbasis A gegeben, was
ein Harz mit den folgenden Eigenschaften ergab:
Feststoffe | 55% |
Brookfield
RVT bei 25°C
(Spindel 2, 5/50 U/min) | 1,6/0,5
Pa·s
(16/5 p) |
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Beispiel 3
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In
einen 1500-L-Mischer mit in-line-Rotor/Stator-Dispergierer wurden 940 kg Harzbasis
A und 155 kg Styrol eingetragen.
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Nach
Eintragen von 6,6 kg des organischen Thixotropiermittels B und 4,4
kg pyrogener Kieselsäure (Cabot
M5) in den Mischer wurde der Ansatz durch den Dispergierer rezirkuliert,
bis eine Hegman-Feinheit von 5 erreicht war. Leistungsadditive C
wurden in dem gleichen Verhältnis
zur Harzbasis A dispergiert, was ein Harz mit den folgenden Eigenschaften
ergab:
Feststoffe | 58,5% |
Rotationsviskosität bei 25°C | 0,27
Pa·s
(2,7 p) |
Brookfield
RVT bei 25°C
(Spindel 2, 5/50 U/min) | 2,0/0,7
Pa·s
(20/7 p) |
Gelzeit
bei 25°C,
2% M50 MEKP | 19
Minuten |
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Beispiel 4
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80
Teile Styrol mit 100 ppm tert.-Butylcatechol als Inhibitor wurden
mit 10 Teilen Ethanol und 10 Teilen des organischen Thixotropiermittels
C versetzt. Die Dispersion wurde auf 50°C erhitzt und 24 Stunden bei > 50°C gehalten.
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10
Teile des obigen Vorgelats wurden zu 25 Teilen Harzbasis A gegeben,
wonach dispergiert wurde, was ein hochstrukturiertes Gel ergab.
Dann wurden weitere 60 Teile Harzbasis A und 4 Teile Styrol beigemischt,
was ein Harz mit den folgenden Eigenschaften ergab:
Feststoffe | 57% |
Rotationsviskosität bei 25°C | 0,27
Pa·s
(2,7 p) |
Brookfield
RVT bei 25°C
(Spindel 2, 5/50 U/min) | 2,6/0,7
Pa·s
(26/7 p) |